混凝土坍落度損失的機理、影響因素及控制措施

安夫賓 彭新成 董 明（青島泰昊工程測試有限公司，山東 青島266101）

混凝土從拌制后到澆筑,總需要一段運輸、停放時間,這往往會使混凝土和易性變差,或稱為坍落度損失。泵送混凝土坍落度具體要求視工程性質(zhì)不同而異。坍落度過高或過低均會對工程質(zhì)量產(chǎn)生影響。坍落度大雖然泵的輸送效率高，但由于單位用水量大，混凝土壓送過程會易產(chǎn)生離析并且易產(chǎn)生收縮裂縫，從而影響了工程質(zhì)量。坍落度過低，造成泵送困難，有些不負責(zé)任的施工人員向混凝土中加水，增大了水灰比，降低了混凝土的強度，影響了工程質(zhì)量，坍落度損失過快成為商品混凝土生產(chǎn)企業(yè)最為頭疼的問題之一。因此，通過適當?shù)募夹g(shù)手段控制混凝土的坍落度，減小混凝土坍落度的經(jīng)時損失是目前混凝土科學(xué)中需要解決的中心技術(shù)問題之一。

1 混凝土坍落度損失機理

1.1 物理機理

1.1.1 用水量的影響

水泥完全水化大約需本身質(zhì)量的23%的水，標準稠度用水量一般在25%~28%之間，但實際上混凝土拌和時加入的水量遠大于此數(shù)，其中相當大一部分是由于改善漿體的流動性。新拌混凝土中水的存在有3種形式，即結(jié)合水、吸附水和自由水。結(jié)合水是由于化學(xué)反應(yīng)被固定在水化產(chǎn)物中的水，吸附水則受到強烈的固體表面力場的作用，他們都成為固相的一部分，不能改善混凝土的流動性。對混凝土的流動性真正起作用的是自由水。在水泥水化過程中，自由水的不斷減少導(dǎo)致坍落度損失。自由水減少的原因大致有以下幾個方面。

（1）水泥水化。水泥水化是消耗水的反應(yīng)，如1gC3A完全水化生成鈣礬石需要1.73g水。另外，水泥水化使體系的固相表面積增大也會吸附更多的水。臨近終凝時，結(jié)合水可以達到總用水量的4%~5%，吸附水則可以達到15%~20%。結(jié)合水和吸附水的增加，必然引起自由水的減少。

（2）水分損失。在施工過程中，混凝土中水分損失的主要原因是蒸發(fā)，水分蒸發(fā)的快慢與溫度、濕度、風(fēng)速及水的粘度等因素有關(guān)。

（3）集料吸水。集料的吸水一般被認為只發(fā)生于輕集料和多孔集料，事實上，普通集料也具有吸水的特性。

1.1.2 含氣量的影響

新拌混凝土是固－液－氣三相組成的體系，其中空氣的含量約為1%~3%?？諝庖郧蛐挝⒓殮馀莸男问酱嬖冢皆诠腆w顆粒的表面，如同摩擦很小且頗具彈性的細骨料，起到了“滾珠”或“軸承”的作用，減小了顆粒之間的摩擦阻力，使新拌混凝土容易流動。根據(jù)資料介紹，空氣含量每增加1%，對坍落度的影響相當于增加用水量3.0%-3.5%。

1.1.3 高效減水劑的影響

高效減水劑的加入可以明顯改善混凝土的坍落度損失，其作用機理主要有以下兩方面。

①高效減水劑是一種表面活性劑，當高效減水劑摻入水泥混凝土中后，通過攪拌，水泥顆粒表面吸附高效減水劑分子，使得水泥粒子的Zeta電位提高。帶電粒子之間存在靜電斥力，阻止了帶電水泥顆粒的凝聚，使得被包裹在水泥顆粒之間的自由水被釋放出來，從而增大了混凝土拌和物的坍落度。

②水泥水化過程中，由于物理、化學(xué)分散，液相中的粒子增多，分散的粒子由于布朗運動、重力、機械攪拌等，粒子表面吸附的高效減水劑減少，使得水泥顆粒之間Zeta電位降低，相互間作用位能下降，產(chǎn)生凝聚，引起混凝土的坍落度損失。

1.2 化學(xué)機理

水泥水化產(chǎn)生Aft、Ca（OH）2、CSH等水化產(chǎn)物，使新拌混凝土粘度增大是引起混凝土坍落度損失的主要原因。隨著水泥水化產(chǎn)生Ca（OH）2、CSH等水化產(chǎn)物的進行，固相顆粒不斷增加，顆粒之間的相斥力下降，降到一定程度后，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成，并隨著數(shù)量的增加，內(nèi)摩擦阻力相應(yīng)增大，表現(xiàn)為坍落度損失。

2 影響坍落度損失的因素

2.1 環(huán)境溫度的影響

溫度升高會使混凝土坍落度損失增大，這是水泥水化過程加快的結(jié)果。因此高溫季節(jié)施工的混凝土尤其是要控制坍落度的損失。天氣干燥，水分容易蒸發(fā)，也促使坍落度損失。

2.2 外加劑加入時間的影響

目前外加劑加入方法主要有同摻法和滯水法兩種，同摻法是指外加劑與水一同加入的方法，滯水法是先加水攪拌后再加入外加劑的方法，經(jīng)試驗表明，滯水法的坍落度保持性要優(yōu)于同摻法，目前，有的商品混凝土公司還采用分次加入外加劑的方法也取得了良好的效果。

2.3 水泥品種及用量

水泥的礦物組成不同會影響減水劑的坍落度損失，因為水泥中不同的礦物組分對減水劑的吸附能力有大有小。水泥中幾種主要礦物組分對減水劑的吸附能力順序如下：

C3A＞C4AF＞C3S＞C2S

在水泥加水和外加劑攪拌后，外加劑隨之被吸附到水泥顆粒表面，按上述順序減水劑很快被吸附到C3A和C4AF表面，而水泥水化的順序也是C3A＞C4AF＞C3S＞C2S，并且C3S和C2S兩種組分含量在水泥總組分中含量最高。因此，C3A、C4AF首先吸附減水劑迅速水化，而占水泥礦物組分絕大部分的C3S和C2S開始吸附，水化時液相中外加劑的濃度已變得很低。并且隨著水化時間的延續(xù)，水泥顆粒表面的電位值減小。因而混凝土和易性變差，坍落度下降。所以，對于C3A和C4AF含量高的水泥，即表現(xiàn)為混凝土的坍落度損失要更大些，即平常所說的水泥適應(yīng)性不好。

另外，水泥用量過高和過低都會影響混凝土的坍落度，水泥用量過高，造成拌和物粘性較大，坍落度過小，如果水泥用量過低，拌和物中水泥漿料過低，造成拌和物的和易性較差，易產(chǎn)生泌水及離析，不利于泵送施工，所以配合比設(shè)計時應(yīng)選擇好合理的水泥用量。

2.4 骨料的級配及砂率的影響

粗集料如果不是連續(xù)級配而是單粒級，則會造成拌和物的和易性較差，易產(chǎn)生泌水離析等問題。細骨料過粗，同樣會造成拌和物的和易性變差，如果過細，則細骨料的比表面積增大，會加大對水分的吸收，所以相同用水量時，表現(xiàn)為坍落度變小。另外，砂率也會對坍落度產(chǎn)生影響，砂率過低，細集料的含量小，造成混凝土拌和物和易性較差，如果砂率過高，細集料的含量大，相應(yīng)的比表面積大，則對水分的吸收也增大，所以砂率過大對混凝土拌和物的坍落度不利。

2.5 摻和料和外加劑的影響

外加劑的種類繁多，用于泵送混凝土中的主要有減水劑和泵送劑。外加劑的選擇對混凝土的坍落度的損失控制可以說起決定性作用，所以，在實際應(yīng)用之前，一定要用現(xiàn)場的原材料與外加劑做適應(yīng)性試驗，選擇與水泥適應(yīng)性良好的外加劑使用。

3 混凝土坍落度損失的控制

坍落度損失是不可避免的，因為這是水泥水化的內(nèi)在要求，即在相當短的時間內(nèi)凝結(jié)硬化。因此，正確而恰當?shù)姆椒ㄒ搽y以保證混凝土在2h內(nèi)坍落度損失為0，但通過合適的技術(shù)手段卻可以盡量減少坍落度的損失。

根據(jù)以往的工程實踐及筆者的經(jīng)驗，解決坍落度損失的方法大致有以下幾種。

3.1 采用復(fù)合高效減水劑

在高效減水劑中復(fù)合一些其它外加劑是目前國內(nèi)外控制混凝土坍落度損失的一種最簡便、最常用且效果顯著的措施之一。

實踐和研究證明，高效減水劑與緩凝劑復(fù)合使用，可以使混凝土在施工澆筑前不因水化而明顯降低流動性，有助于解決坍落度損失問題。常用的緩凝劑主要有以下幾種：

⑴糖類：糖鈣、葡萄糖酸鹽等

⑵木質(zhì)素磺酸鹽類：木質(zhì)素磺酸鈣、木質(zhì)素磺酸納等

圖6的每條T2分布曲線代表測試的試樣總孔隙中的含水量，即反映了試樣的總孔隙率；各孔徑區(qū)間的占比也可通過對T2譜的面積積分得出。由圖6可知，各試樣的T2曲線分布都包含1個主峰和1～2個次峰，且各試樣的分布曲線主峰大部分分布在微毛細孔。主峰的峰高和峰面積均遠大于次峰，分布多跨越了3個數(shù)量級，占據(jù)優(yōu)勢地位。對比組1的主峰峰值較高，且次峰也都覆蓋于第2、3、4和5等其它4組混凝土的次峰上，與總孔隙率及水和氣體滲透性反映的規(guī)律相同。

⑶羥基羧酸及其鹽類：檸檬酸、酒石酸鉀鈉等

⑷無機鹽類：鋅鹽、磷酸鹽等

⑸其它：胺鹽及其衍生物、纖維素醚等

但應(yīng)用緩凝劑時也要特別注意幾個問題：

①緩凝劑宜用于日最低氣溫5℃以上施工的混凝土中，因為氣溫較低時，本身水泥的水化速度變慢，加入緩凝劑后，則更延長了混凝土的凝結(jié)時間，會影響施工速度和進程。

②當摻用含有糖類及木質(zhì)素磺酸鹽物質(zhì)的外加劑時，應(yīng)先做水泥適應(yīng)性試驗，合格后方可使用，因為用硬石膏或用工業(yè)副產(chǎn)石膏作調(diào)凝劑的水泥，摻用上述二類緩凝劑會引起混凝土拌和物速凝。造成拌和物無法施工。

③緩凝劑的摻量一定要計量準確，以往的工程實踐中，曾經(jīng)出現(xiàn)過因緩凝劑超摻造成混凝土長時間不凝結(jié)的質(zhì)量事故。

另外，在高效減水劑中加入一定量的引氣劑，加入混凝土拌和后，會在混凝土拌和物中引入大量微小的封閉氣泡，這些氣泡起到了“滾珠”的作用，減少了顆粒之間的摩擦阻力，使新拌混凝土容易流動，也可以有效地減小坍落度損失。目前，常有的引氣劑主要有：

①松香樹脂類：松香熱聚物、松香皂；

②烷基和烷基芳烴磺酸鹽類：十二烷基磺酸鹽。

但加入引氣劑也應(yīng)該嚴格控制其產(chǎn)量，在混凝土中引入大量微小氣泡固然可以有效地減少坍落度的經(jīng)時損失，但混凝土的含氣量過大則會降低其強度，實踐證明，混凝土的含氣量控制在5%以內(nèi)，對其強度不會造成大的降低，如果超過這一限值，含氣量每增加1%，混凝土的強度則會降低3%~5%。

3.2 分次添加高效減水劑

將高效減水劑分兩次添加是一種有效地控制坍落度損失的方法。第二次加入減水劑，可以彌補液相被消耗掉的高效減水劑，從而使混凝土坍落度得到一定的恢復(fù)。根據(jù)高效減水劑的減水效率和水泥的活性，高效減水劑的初次摻量一般為總摻量的60%~75%。實踐證明，兩次添加高效減水劑是解決由于運輸時間過長或氣溫過高等原因引起坍落度損失過大的有效措施。必要時可采用多次添加高效減水劑的方法減少坍落度損失。

3.3 選用新型高效減水劑

新一代高效減水劑的開發(fā)應(yīng)用為混凝土坍落度損失的控制提供了有效的技術(shù)途徑。近年來興起的聚羧酸系高效減水劑，因其優(yōu)良的性能而成為外加劑領(lǐng)域中受關(guān)注的熱點，聚羧酸系高性能減水劑在對混凝土坍落度保持性能方面均優(yōu)于萘系和脂肪族系高效減水劑。在發(fā)達國家，聚羧酸系高性能減水劑已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)，也已經(jīng)廣泛應(yīng)用在一些重大工程中，如京滬高速鐵路、杭州灣跨海大橋、青島海灣大橋等。

近年來，加拿大和日本等國家研究開發(fā)了一種反應(yīng)型高分子物質(zhì)，通過其緩慢釋放控制混凝土的坍落度損失。這種緩慢釋放的特征受化學(xué)反應(yīng)控制，因此若能調(diào)節(jié)反應(yīng)條件，就可以任意地控制其釋放速度，從而達到控制混凝土坍落度損失的目的。

3.4 優(yōu)選水泥

高效減水劑對水泥普遍存在適應(yīng)性問題，因此可以在注意以下原則的基礎(chǔ)上，做水泥－高效減水劑的適應(yīng)性試驗，選擇凈漿流動度損失小的水泥－高效減水劑組合。原則如下：

a.盡量避免選用C3A、C4AF含量高的和細度高的水泥。實驗表明，水泥中C3A含量在5%~6%，C3S含量在50%~60%，水泥細度在2800~3000cm2/g時混凝土坍落度損失較小。

b.盡量避免選用硬石膏和氟石膏代替和部分代替二水石膏調(diào)凝的水泥和摻入采用這種石膏作為組分的混合材的水泥。

c.盡量少用立窯水泥，優(yōu)先選用旋窯水泥。

3.5 優(yōu)化配合比設(shè)計

主要包括以下幾個方面：

⑴混凝土的膠凝材料總量不宜少于300kg/m3，不宜大于550 kg/m3。用量少，水泥漿量過小影響和易性，用量過大則增加了漿體的粘性，同樣對坍落度的保持不利。

⑵混凝土的砂率宜為35%~45%，砂率過大增加了骨料的比表面積從而增加了吸水量，表現(xiàn)為相同單位用水量坍落度較低，砂率過小則影響拌和物的和易性易產(chǎn)生泌水離析等現(xiàn)象。

⑶適當增大混凝土的含氣量，但含氣量不宜超過5%。

⑷選用優(yōu)質(zhì)的摻和料 在選用粉煤灰、礦渣粉等摻和料時，應(yīng)選用需水量比小的顆粒形狀圓滑、細度不宜過高的優(yōu)質(zhì)摻和料。由于摻和料在拌和物中起到的“滾珠”效應(yīng)，也能有效地降低混凝土拌和物的坍落度損失。

通過以上技術(shù)措施可以在一定程度上減小混凝土的坍落度損失。但是混凝土材料本身的復(fù)雜性，決定了其不是一成不變的。如何采用經(jīng)濟有效的方法來控制混凝土坍落度經(jīng)時損失仍是目前需要更好解決的應(yīng)用技術(shù)問題之一。

[1]GB/T50080-2002，普通混凝土拌合物性能試驗方法標準[S]。

[2]JGJ55-2000, 普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S]。